输电线路的仿真方法和装置与流程

本发明涉及仿真领域，具体而言，涉及一种输电线路的仿真方法和装置。

背景技术：

随着社会对能源需求的增长和发电技术的进步，电力网络拓扑系统变得越来越复杂，运行难度也越来越大。电力系统不断扩大，高压远距离电力系统也逐渐增多，而高压电力系统分布范围广，穿越的地区地形复杂，如果能够快速、准确地对系统进行仿真，就能从技术层面对电网的安全运行提供可靠的支撑，具有巨大的社会和经济效益。因此电力系统分析和仿真技术成为了电力系统规划、设计、运行、分析和改造等过程不可缺少的工具和手段。

现有技术中存在多种仿真软件以用于解决电力系统问题，例如，能够仿真任何含有(三相)电源、电阻、电容、电感、开关、变压器、远程输电线等原件构成的电路的atp仿真软件。由于所有的仿真软件开发都是在离散时域、以离散的间隔(时间步长δt)进行仿真，不能连续地仿真暂态过程。因此产生的截断误差会产生积累效应，导致最终的仿真结果偏离真实值，如何确定输电线路的仿真模型以使电力系统的仿真结果更准确成为需要解决的技术问题。

针对相关技术中输电线路的仿真结果不能准确反映输电线路的实际结果的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种输电线路的仿真方法和装置，以至少解决相关技术中输电线路的仿真结果不能准确反映输电线路的实际结果的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种输电线路的仿真方法，该方法包括：确定输电线路中负载的类型；依据负载的类型确定输电线路的离散时域的电路模型；确定电路模型的电流电压关系式；通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真，得到输电线路的仿真结果。

进一步地，确定电路模型的电流电压关系式包括：对电路模型中各节点的负载进行分析得到节点方程；基于电路模型中各电流源的递归关系与节点方程确定电路模型的电流电压关系式。

进一步地，通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真，得到输电线路的仿真结果包括：确定暂态仿真条件，其中，暂态仿真条件包括时间步长；通过仿真算法对电流电压关系式在预设仿真条件下进行仿真，得到电路模型中每个节点的暂态电流波形和/或暂态电压波形。

进一步地，通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真，得到输电线路的仿真结果包括：通过不同的仿真算法对电流电压关系式进行仿真，对不同的仿真算法得到的仿真结果进行对比；根据对比结果确定电路模型的准确度。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种输电线路的仿真装置，该装置包括：第一确定单元，用于确定输电线路中负载的类型；第二确定单元，用于依据负载的类型确定输电线路的离散时域的电路模型；第三确定单元，用于确定电路模型的电流电压关系式；仿真单元，用于通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真，得到输电线路的仿真结果。

进一步地，第一确定单元包括：分析模块，用于对电路模型中各节点的负载进行分析得到节点方程；第一确定模块，用于基于电路模型中各电流源的递归关系与节点方程确定电路模型的电流电压关系式。

进一步地，仿真单元包括：第二确定模块，用于确定暂态仿真条件，其中，暂态仿真条件包括时间步长；仿真模块，用于通过仿真算法对电流电压关系式在预设仿真条件下进行仿真，得到电路模型中每个节点的暂态电流波形和/或暂态电压波形。

进一步地，仿真单元包括：对比模块，用于通过不同的仿真算法对电流电压关系式进行仿真，对不同的仿真算法得到的仿真结果进行对比；第三确定模块，用于根据对比结果确定电路模型的准确度、

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种存储介质，该存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行本发明的输电线路的仿真方法。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种处理器，该处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行本发明的输电线路的仿真方法。

在本发明实施例中，通过确定输电线路中负载的类型；依据负载的类型确定输电线路的离散时域的电路模型；确定电路模型的电流电压关系式；通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真，得到输电线路的仿真结果，解决了相关技术中输电线路的仿真结果不能准确反映输电线路的实际结果的技术问题，进而实现了使输电线路的仿真结果能够准确反映输电线路的实际结果的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种可选的输电线路的仿真方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的输电线路的离散时域模型的示意图；

图3a是根据本发明实施例的一种可选的带有感性负载的输电线路的连续时域模型与离散时域模型转换的示意图；

图3b是根据本发明实施例的一种可选的带有容性负载的输电线路的连续时域模型与离散时域模型转换的示意图；

图4a是根据本发明实施例的一种可选的含有感性负载的交流电力系统的示意图；

图4b是根据本发明实施例的一种可选的含有容性负载的交流电力系统的示意图；

图4c是根据本发明实施例的一种可选的含有感性负载的直流电力系统的示意图；

图4d是根据本发明实施例的一种可选的含有容性负载的直流电力系统的示意图；

图5a是根据本发明实施例的一种可选的含有感性负载的输电线路的离散时域模型电路的示意图；

图5b是根据本发明实施例的一种可选的含有容性负载的输电线路的离散时域模型电路的示意图；

图6a是根据本发明实施例的一种可选的含有感性负载的交流电力系统中k和m两节点暂态电压波形示意图；

图6b是根据本发明实施例的一种可选的含有感性负载的交流电力系统中的电流波形示意图；

图6c是根据本发明实施例的另一种可选的含有感性负载的交流电力系统中k和m两节点暂态电压波形示意图；

图6d是根据本发明实施例的另一种可选的含有感性负载的交流电力系统中的电流波形示意图；

图7a是根据本发明实施例的一种可选的含有容性负载的交流电力系统中k和m两节点暂态电压波形示意图；

图7b是根据本发明实施例的一种可选的含有容性负载的交流电力系统中的电流波形示意图；

图7c是根据本发明实施例的另一种可选的含有容性负载的交流电力系统中k和m两节点暂态电压波形示意图；

图7d是根据本发明实施例的另一种可选的含有容性负载的交流电力系统中的电流波形示意图；

图8a是根据本发明实施例的一种可选的含有感性负载的直流电力系统中k和m两节点暂态电压波形示意图；

图8b是根据本发明实施例的一种可选的含有感性负载的直流电力系统中的电流波形示意图；

图8c是根据本发明实施例的另一种可选的含有感性负载的直流电力系统中k和m两节点暂态电压波形示意图；

图8d是根据本发明实施例的另一种可选的含有感性负载的直流电力系统中的电流波形示意图；

图9a是根据本发明实施例的一种可选的含有容性负载的直流电力系统中k和m两节点暂态电压波形示意图；

图9b是根据本发明实施例的一种可选的含有容性负载的直流电力系统中的电流波形示意图；

图9c是根据本发明实施例的另一种可选的含有容性负载的直流电力系统中k和m两节点暂态电压波形示意图；

图9d是根据本发明实施例的另一种可选的含有容性负载的直流电力系统中的电流波形示意图；

图10a是根据本发明实施例的一种可选的含有感性负载的交流电力系统的实物连接示意图；

图10b是根据本发明实施例的一种可选的含有容性负载的交流电力系统的实物连接示意图；

图10c是根据本发明实施例的一种可选的含有感性负载的直流电力系统的实物连接示意图；

图10d是根据本发明实施例的一种可选的含有容性负载的直流电力系统的实物连接示意图；

图11是根据本发明实施例的一种可选的输电线路的仿真装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请提供了一种输电线路的仿真方法的实施例。

图1是根据本发明实施例的一种可选的输电线路的仿真方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤s101，确定输电线路中负载的类型：

在对输电线路进行仿真时，需要对输电线路进行建模，在建模之前，需要确定输电线路中的负载类型，在输电线路中的负载可能是容性负载或感性负载，在对输电线路进行建模时，不同的负载类型建立的模型不相同。

步骤s102，依据负载的类型确定输电线路的离散时域的电路模型：

在确定输电线路中负载的类型之后，依据负载的类型确定输电线路的离散时域的电路模型。仿真方法通常无法模拟输电线路的连续状态，需要模拟输电线路在离散时域下的状态，因此，需要依据负载的类型确定输电线路的离散时域的电路模型。

步骤s103，确定电路模型的电流电压关系式：

在依据负载的类型确定输电线路的离散时域的电路模型之后，确定电路模型的电流电压关系式。电路模型的电流电压关系式能够计算电路模型在不同参数条件下不同节点的电流参数、电压参数。

可选的，确定电路模型的电流电压关系式包括：对电路模型中各节点的负载进行分析得到节点方程；基于电路模型中各电流源的递归关系与节点方程确定电路模型的电流电压关系式。

步骤s104，通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真，得到输电线路的仿真结果。

在确定电路模型的电流电压关系式之后，通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真，得到输电线路的仿真结果。

通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真需要确定仿真条件，在确定输电线路的离散时域的电路模型之后，确定电路模型的暂态仿真条件，其中，暂态仿真条件至少包括时间步长，在确定暂态仿真条件之后，通过仿真算法对电流电压关系式在预设仿真条件下进行仿真，得到电路模型中每个节点的暂态电流波形和/或暂态电压波形。

可选的，还可以通过不同的仿真算法对电流电压关系式进行仿真，例如，通过第一种仿真算法和第二种仿真算法那对电流电压关系式进行仿真，对不同的仿真算法得到的仿真结果进行对比，根据对比结果确定电路模型的准确度。

该实施例通过确定输电线路中负载的类型；依据负载的类型确定输电线路的离散时域的电路模型；确定电路模型的电流电压关系式；通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真，得到输电线路的仿真结果，解决了相关技术中输电线路的仿真结果不能准确反映输电线路的实际结果的技术问题，进而实现了使输电线路的仿真结果能够准确反映输电线路的实际结果的技术效果。

下面以具体应用场景为例，对上述实施例提供的输电线路的仿真方法的具体步骤进行说明。

图2所示为远程输电线路离散时域模型电路的转换方式，其中，k和m两节点代表了远程输电线路两端的节点。k点距离输出端更近。其中zo是远程输电线的特征阻抗。ikm(t-τ)和imk(t-τ)代表能够产生延迟效应的电流源。

电力系统中的负载类型可以是感性负载，也可以是容性负载，图3a所示为感性负载的离散时域模型电路的转换方式，图3a中左图是连续时域模型电路图，图3a中右图是离散时域模型电路图。在感性负载的离散时域模型中，电流源hl和时间步长有关，并且和一个阻值为2l/^△t的阻抗并联。其中：^△t就是离散时域的时间步长；图3b所示为容性负载的离散时域模型电路的转换方式，图3b中左图是连续时域模型电路图，图3b中右图是离散时域模型电路图。在容性负载的离散时域模型中，电流源hc和时间步长有关，并且和一个组织为^△t/2c的阻抗并联。其中：^△t是离散时域的时间步长。

如果电力系统由一个交流电源供电，需要得到该系统在0-20ms时间范围内，k和m两节点的暂态电压和流经电感器的暂态电流波形图。

含有感性负载的交流电力系统如图4a所示，含有容性负载的交流电力系统如图4b所示，含有感性负载的直流电力系统如图4c所示，含有容性负载的直流电力系统如图4d所示。

假设交流系统由一个交流电源供电，仿真条件为需要得到该系统在0-20ms时间范围内，k和m两节点的暂态电压波形图。交流电源和远程输电线之间存在一负载，其阻值为z0(ohms)。节点k和节点m之间是理想的远程输电线，存在的参数包括其特征阻值zc，和延迟时间τ。节点m处连接了电感器，其大小为l＝100mh。为计算电压暂态图像，时间步长设为0.1ms。按照远程输电线路和感性负载的离散时域模型电路的转换原理，该系统的离散时域模型电路如图5a所示，按照远程输电线路和容性负载的离散时域模型电路的转换原理，该系统的离散时域模型电路如图5b所示，含有感性负载和容性负载的交流电力系统中k节点、m节点与图5a、图5b中节点位置相对应。

假设直流系统由一个直流电源供电，仿真条件为需要得到该系统在0-10ms时间范围内，k和m两节点的暂态电压波形图。直流电源和远程输电线之间存在一负载，其阻值为z0(ohms)。节点k和节点m之间是理想的远程输电线，存在的参数包括其特征阻值zc，和延迟时间τ。节点m处连接了电感器，其大小为l＝100mh。为计算电压暂态图像，时间步长设为0.1ms。按照远程输电线路和感性负载的离散时域模型电路的转换原理，该系统的离散时域模型电路如图5a所示，按照远程输电线路和容性负载的离散时域模型电路的转换原理，该系统的离散时域模型电路如图5b所示，含有感性负载和容性负载的直流电力系统中k节点、m节点与图5a、图5b中节点位置相对应。

含有感性负载的离散模型电路中电流源的递归关系如下：

根据图5a的电流关系，可得：

依据离散时域模型的等效电路图中两节点k和m，罗列节点方程：

是导纳矩阵。导纳矩阵中每个元素的大小为两下角标节点之间连接阻抗值的倒数。因此，方程(5)变更为：

其中：zl＝2l/^△t

根据矩阵运算法则可得到vk(t)和vm(t)的表达式。

通过matlab软件编写算法程序，并最终得到节点k和m的暂态电压波形图，以及流经电感器的暂态电流波形图。程序编写原则正是依照公示(1)-(8)。设交流电流源的电压为110kv，远程输电线的特征阻值zc＝500ω，延迟时间为τ＝1.0ms，时间步长^△t＝0.1ms，电抗器l＝100mh。交流电源和远程输电线之间负载阻值z0为变量。这样，其暂态电压和电流波形图就是参量z0的函数。程序如下：

该程序为定义一个自变量函数，通过输入不同的自变量参数z0，最终得到节点k和m的电压暂态图像，以及流经电感器的暂态电流波形图。设阻抗z0＝100ω，需要仿真电压和电流波形图，只需要将参量数值填入自定义函数位置即可，即：

trans_al(100)

得到含有感性负载的交流电力系统中k和m两节点暂态电压波形图如图6a所示，以及流经电感器的电流波形图如图6b所示。变更自变量z0。当z0＝1000ω时，在matlab软件中输入trans_al(1000)，得到该负载状态下的k和m两节点暂态电压波形图如图6c所示，流经电感器的电流暂态波形图如图6d所示。

含有容性负载的离散模型电路中电流源的递归关系如下：

根据图5b的电流关系，可得：

罗列节点k和m的方程的过程与上述含有感性负载的离散模型电路中的过程相似，在此不再赘述，罗列方程之后，可以得到vk(t)和vm(t)的表达式，然后通过matlab软件编写算法程序，并最终得到节点k和m的暂态电压波形图，以及流经电容器的暂态电流波形图，得到含有容性负载的交流电力系统中在阻抗z0＝500ω时k和m两点暂态电压波形图如图7a所示，流经电容器的电流波形图如图7b所示，在阻抗z0＝5000ω时k和m两点暂态电压波形图如图7c所示，流经电容器的电流波形图如图7d所示。

对含有感性负载的直流电力系统和含有容性负载的直流电力系统的电流电压关系式的确定过程与上述过程相似，在此不再赘述，得到含有感性负载的直流电力系统在阻抗z0＝50ω时k和m两点暂态电压波形图如图8a所示，流经电容器的电流波形图如图8b所示，在阻抗z0＝500ω时k和m两点暂态电压波形图如图8c所示，流经电容器的电流波形图如图8d所示；含有容性负载的直流电力系统在阻抗z0＝500ω时k和m两点暂态电压波形图如图9a所示，流经电容器的电流波形图如图9b所示，在阻抗z0＝5000ω时k和m两点暂态电压波形图如图9c所示，流经电容器的电流波形图如图9d所示。

然而，通过matlab软件编程的方法尽管能够得到暂态曲线，但无法验证得到的曲线图像是否正确。接下来，相同的过程通过atpdraw软件进行仿真，再次对该过程进行模拟。含有感性负载的交流电力系统在atpdraw状态下的实物连接图如图10a所示，含有容性负载的交流电力系统在atpdraw状态下的实物连接图如图10b所示，含有感性负载的直流电力系统在atpdraw状态下的实物连接图如图10c所示，含有容性负载的直流电力系统在atpdraw状态下的实物连接图如图10d所示。

以对含有感性负载的交流电力系统通过atpdraw软件进行仿真为例，依照图5a所示的实际电路图，通过atpdraw软件进行实物连接进行暂态过程模拟，如图10a所示。交流电压源直接连接一控制开关，设开关闭合时间为t＝0ms。电源和节点k之间连接负载z0，远程输电线通过元件linez实现。节点m和接地端之间存在电感器l。在需要测量暂态电压的k和m两点，放置电压探头，并且在流经电感器的位置连接电流探头，以进行图像采集模拟。将对应的参量输入仿真图像中对应元件的参量位置，远程输电线的参数设置为特征阻值500ohms，延迟时间0.001s，得到最终的暂态曲线与图6a～图6d所示的曲线相同。通过对两种仿真算法得到的仿真波形图像对比，通过matlab理论计算的图像和通过atpdraw仿真得到的图像，对比两种仿真算法得到的波形图的形状或数值，分别确定两种仿真算法相对于另一种仿真算法的参照准确率。

该实施例提供的方法可以快速、准确地对系统进行仿真，能从技术层面对电网的安全运行提供可靠的支撑，具有巨大的社会和经济效益，该成果是在零投资、零成本的前提条件下，通过两种手段实现了电力系统暂态仿真和模拟，仿真效果和功能相比较于bpa仿真技术，优势更为明显。而仿真技术在支撑电网安全运行中起到了至关重要的作用。因此，本发明为企业带来的潜在利润是不可小觑的。本发明介绍的两种仿真计算方法，其结果不仅验证无误，而且其原理可实现更大规模电网的仿真计算。这种科学的模拟电力系统暂态过程的方法，其计算速度快，准确性高，灵活性强，有助于提高电网运行的智能化与自动化水平，从技术层面对电网的安全运行提供可靠的支撑。

需要说明的是，在附图的流程图虽然示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本申请还提供了一种输电线路的仿真装置的实施例。

图11是根据本发明实施例的一种可选的输电线路的仿真装置的示意图，如图11所示，该装置包括第一确定单元10，第二确定单元20，第三确定单元30和仿真单元40。其中，第一确定单元，用于确定输电线路中负载的类型；第二确定单元，用于依据负载的类型确定输电线路的离散时域的电路模型；第三确定单元，用于确定电路模型的电流电压关系式；仿真单元，用于通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真，得到输电线路的仿真结果。

该实施例通过第一确定单元，用于确定输电线路中负载的类型；第二确定单元，用于依据负载的类型确定输电线路的离散时域的电路模型；第三确定单元，用于确定电路模型的电流电压关系式；仿真单元，用于通过仿真算法对电流电压关系式进行仿真，得到输电线路的仿真结果，解决了相关技术中输电线路的仿真结果不能准确反映输电线路的实际结果的技术问题，进而实现了使输电线路的仿真结果能够准确反映输电线路的实际结果的技术效果。

进一步地，第一确定单元包括：分析模块，用于对电路模型中各节点的负载进行分析得到节点方程；第一确定模块，用于基于电路模型中各电流源的递归关系与节点方程确定电路模型的电流电压关系式。

进一步地，仿真单元包括：第二确定模块，用于确定暂态仿真条件，其中，暂态仿真条件包括时间步长；仿真模块，用于通过仿真算法对电流电压关系式在预设仿真条件下进行仿真，得到电路模型中每个节点的暂态电流波形和/或暂态电压波形。

进一步地，仿真单元包括：对比模块，用于通过不同的仿真算法对电流电压关系式进行仿真，对不同的仿真算法得到的仿真结果进行对比；第三确定模块，用于根据对比结果确定电路模型的准确度、。

上述的装置可以包括处理器和存储器，上述单元均可以作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flashram)，存储器包括至少一个存储芯片。

上述本申请实施例的顺序不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。

其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。